摘要：針對(duì)斷層區(qū)煤巷頂板破斷的問題，研究了頂板應(yīng)力分布規(guī)律，分析了不同頂板壓力、跨高比和支護(hù)強(qiáng)度等因素下的頂板破斷機(jī)制。從理論上研究得出頂板深梁最大有效剪應(yīng)力隨跨高比增加而增加，并呈現(xiàn)出三種不同的破斷形式，斷層區(qū)域的斷層巷道應(yīng)該盡可能早的安裝強(qiáng)力的支護(hù)設(shè)施，以增強(qiáng)其支護(hù)強(qiáng)度，正斷層巷道在斷層面周圍應(yīng)該增強(qiáng)護(hù)表效果，從而實(shí)行先控后抗的支護(hù)策略，體現(xiàn)了有效的發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，還能有效利用圍巖的自身承受能力。利用上述的支護(hù)方案對(duì)于焦作礦區(qū)斷層區(qū)預(yù)防頂板破斷有顯著的效果。

關(guān)鍵詞：煤巷斷層 頂板破斷 分析 支護(hù)結(jié)構(gòu) 預(yù)防

頂板破斷事故是煤礦生產(chǎn)中的五大災(zāi)害之一，一旦災(zāi)害發(fā)生，其后果相當(dāng)嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，頂板事故造成的人員傷亡事故對(duì)于煤礦總的死亡事故占了很大的比例，大概在四成以上，造成的傷亡比例為所有事故傷亡人數(shù)的50%，雖然事故因素多種多樣，但斷層占據(jù)了比較大的比例，并且斷層極易引起頂板整體破斷垮塌，造成更為嚴(yán)重的后果，所以研究煤巷斷層區(qū)頂板破斷機(jī)制分析和支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)策對(duì)煤礦業(yè)有很重大的意義。

1 斷層區(qū)頂板事故的原因研究

根據(jù)以往在作業(yè)中發(fā)生的頂板事故，研究分析出了斷層區(qū)巷道變形破斷和冒落等的主要因素，分為如下三點(diǎn)：一是地質(zhì)條件突變，煤礦區(qū)由于地質(zhì)條件極其復(fù)雜，在煤巷工作中往往都面臨著地質(zhì)條件突變影響。特別對(duì)于斷層破碎帶等圍巖條件的劇變，通常的支護(hù)預(yù)防方案并不能及時(shí)的去適應(yīng)圍巖結(jié)構(gòu)的劇烈地變化，不能很好的做到預(yù)防的作用，使得風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生；二是頂板的破斷機(jī)制不明確，頂板結(jié)構(gòu)不是單一的，在遇到斷層后，對(duì)于斷層區(qū)的頂板變形破斷機(jī)制沒有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，使得斷層區(qū)的圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)有很大的盲目性；三是在設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)不到位、不合理，通常都是根據(jù)一般的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，不具備針對(duì)性，斷層區(qū)頂板事故的發(fā)生我們認(rèn)為這是一個(gè)最主要的原因，設(shè)計(jì)的支護(hù)方案不具備針對(duì)性，有些地方設(shè)計(jì)的甚至是不合理的，使得斷層構(gòu)造發(fā)生后支護(hù)結(jié)構(gòu)不能有效的進(jìn)行支撐保護(hù)，錯(cuò)失了支護(hù)的最佳時(shí)間，留下了極嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2 斷層區(qū)頂板破斷機(jī)制的研究

煤巷都是從斷層的一盤跨越到另一盤，本文僅僅研究的是斷層區(qū)危險(xiǎn)性最大的下降盤水平掘進(jìn)到上升盤，當(dāng)軟弱頂板（例如原直接頂為2-5m厚的泥巖）厚度逐漸增加，原來的支護(hù)措施不能及時(shí)有效的控制增加的軟弱頂板變形，使得形成一種頂板懸臂梁的結(jié)構(gòu)，當(dāng)該懸臂梁結(jié)構(gòu)破斷時(shí)，整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)將受到嚴(yán)重的破壞。根據(jù)以往對(duì)地下工程頂板失穩(wěn)現(xiàn)象的研究，再結(jié)合斷層區(qū)頂板破斷的事故進(jìn)行分析，建立頂板彈性深梁力學(xué)模型。

2.1 建立力學(xué)模型的前提條件。斷層分為正斷層和逆斷層，所以正斷層模型和逆斷層模型都要進(jìn)行科學(xué)的建立。當(dāng)?shù)刭|(zhì)在突變過后，地質(zhì)條件的變得極其脆弱而復(fù)雜，使得頂板周圍的地質(zhì)強(qiáng)度下降，支護(hù)的措施不能隨地質(zhì)改變而改變，不能及時(shí)的適應(yīng)突變的地質(zhì)，造成支護(hù)強(qiáng)度降低，從而發(fā)生垮塌的事故。下圖為巷道頂板垮落橫截面示意圖，我們就以該基礎(chǔ)進(jìn)行了巷道軸向縱剖面上的頂板受力變形破斷機(jī)制。

我們將薄的直接頂板1通過粘合的方式與最上的堅(jiān)硬的頂板1緊緊的結(jié)合起來，并把它們作為一個(gè)整體的穩(wěn)定變形體，最終都不會(huì)遭到破壞，如下圖：

2.2 研究簡(jiǎn)單力學(xué)模型的建立。①研究中把由多層巖層組成的直接頂板2看作一個(gè)整體，并將其作為直接的研究對(duì)象，把其橫截面簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的矩形，可以按平面應(yīng)力的方式來進(jìn)行研究。②為了在模型中方便計(jì)算，研究中把斷層走向和巷道軸線之間的夾角認(rèn)為90°，并認(rèn)為煤巖是連續(xù)均勻的水平彈性體。③我們把直接的頂板2外端設(shè)成約束的固定端。④因?yàn)閷?shí)際情況中的頂板結(jié)構(gòu)相對(duì)很復(fù)雜，在研究時(shí)，盡量采取簡(jiǎn)單類似的情況進(jìn)行，把頂板作用力p1和直接頂板的重量γh簡(jiǎn)化成一個(gè)恒定大小的均勻荷載p，直接的作用在直接頂板2的巖梁表面。把結(jié)構(gòu)中的支護(hù)抗力Fs和FB一起簡(jiǎn)化成一個(gè)均勻荷載q作用于下表面。FB是在圖1中垮落面上部對(duì)垮落體的作用力，可以看成是下方對(duì)垮落體的支護(hù)力的一部分。綜上所述，我們可以建立如下的正斷層圖和逆斷層圖：

2.3 根據(jù)以上的力學(xué)模型，來分別的計(jì)算應(yīng)力分量和最大的效剪應(yīng)力（由于計(jì)算過于復(fù)雜，此處不予詳細(xì)列舉）。

3 支護(hù)對(duì)策在煤礦工程中的運(yùn)用

3.1 支護(hù)對(duì)策的研究。根據(jù)對(duì)斷層區(qū)的頂板破斷情況進(jìn)行了分析，并結(jié)合了實(shí)際情況，主張以錨索梁為主，即在破碎區(qū)域運(yùn)用注漿加固的方法在煤巷斷層區(qū)使用，該支護(hù)運(yùn)用的是高強(qiáng)讓壓型錨索組合梁的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)的主要關(guān)鍵構(gòu)件有箱型支護(hù)梁、錨索讓壓環(huán)、高預(yù)應(yīng)力錨索構(gòu)成的讓壓型錨索組合梁與高強(qiáng)錨桿，與此同時(shí)可以給其裝備鋼帶、金屬網(wǎng)和托盤等配套設(shè)施設(shè)備。該支護(hù)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的槽鋼錨索梁支護(hù)結(jié)構(gòu)和工字鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)比有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，它具有可讓壓、高強(qiáng)、高剛、護(hù)表面積大等特點(diǎn)。運(yùn)用上述的方案可以很好的滿足頂板深梁理論分析結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的支護(hù)要求，對(duì)正斷層和逆斷層均有比較好的支護(hù)效果。①錨索組合梁支護(hù)結(jié)構(gòu)和錨桿（索）結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，前者不僅可以提供一個(gè)相對(duì)更大的支護(hù)力，加強(qiáng)支護(hù)的強(qiáng)度，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，在懸臂巖梁自由端增加一個(gè)有效的支護(hù)荷載，以減小梁內(nèi)最大的有效剪應(yīng)力，提升了結(jié)構(gòu)的壽命。②錨索梁在支護(hù)中可以利用錨索把直接頂?shù)淖饔昧鬟f到周圍的穩(wěn)定巖層上，再和組合型支護(hù)共同作用，改善了整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的受力狀態(tài)。③支部結(jié)構(gòu)把長(zhǎng)錨索預(yù)應(yīng)力利用組合型支護(hù)梁將直接作用于直接頂?shù)谋砻?，使得護(hù)表面積和預(yù)應(yīng)力范圍同時(shí)得到了增加，頂板支護(hù)效果也得到加強(qiáng)，減少了頂板剝落失穩(wěn)現(xiàn)象。④讓壓型錨索組合梁結(jié)構(gòu)能在施工后就可以及時(shí)的進(jìn)行傳力支護(hù)，當(dāng)支護(hù)周圍的巖壓力達(dá)到一定程度時(shí)，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行讓壓措施，此后由組合型支護(hù)梁進(jìn)行支護(hù)保護(hù)，不僅保障了支護(hù)周圍巖土結(jié)構(gòu)的完整、不劇變，還從根本上最大限度的運(yùn)用了巖土的自承能力。⑤在巷道頂板斷層的極易破碎處，把注漿錨桿、錨索同時(shí)有機(jī)結(jié)合的方式來加固巷道的破碎區(qū)域，加強(qiáng)破碎區(qū)域圍巖的完整性，提高其自身承受能力，保障頂板的穩(wěn)定。

3.2 工程實(shí)例。煤業(yè)礦區(qū)由于埋度大、地層條件復(fù)雜、地應(yīng)力高，存在多處的斷層結(jié)構(gòu)，根據(jù)防治斷層區(qū)頂板破碎失穩(wěn)相關(guān)建議，采用高強(qiáng)讓壓型錨索組合梁支護(hù)方案進(jìn)行施工，有效的避免頂板破斷情況，并使巷道安全順利的跨過了斷層的破碎處。結(jié)果表明，斷層區(qū)的巷道變形始終保持著變化極小的狀態(tài)，達(dá)到了很良好的支護(hù)效果。和以前的架棚式支護(hù)和其他支護(hù)相比較，其特點(diǎn)還是相對(duì)比較突出的。下圖是讓壓型錨索組合型梁在實(shí)際使用中的效果圖（在15091運(yùn)輸巷，為期一個(gè)月），并給出了煤巷斷層區(qū)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果圖。

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作者簡(jiǎn)介：

任建輝（1986-），男，河南鄭州人，焦煤能源古漢山礦，副科長(zhǎng)，助理工程師，研究方向：煤礦采掘設(shè)計(jì)及技術(shù)管理。